蔣建方 翟曉鵬 賀甲元 耿宇迪 崔 佳 魏攀峰

1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國石油大學(xué)（北京） 2.油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室·長江大學(xué)

3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 4.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

海相碳酸鹽巖油氣藏儲(chǔ)層基質(zhì)致密、滲透率低，且儲(chǔ)層分布分散，該類型儲(chǔ)層與煤巖儲(chǔ)層相似，都屬于破碎性儲(chǔ)層[1]，若僅靠傳統(tǒng)的壓裂技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)儲(chǔ)層單元的有效溝通[2-5]。為此，在壓裂過程中需加入暫堵劑，采用強(qiáng)制裂縫轉(zhuǎn)向技術(shù)來促使裂縫轉(zhuǎn)向，從而溝通更多儲(chǔ)層單元，形成有效縫網(wǎng)系統(tǒng)，提高油氣采收率。

深層海相碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層井深超過6 000 m，暫堵壓裂要求暫堵劑不僅要有高的承壓力，還要有耐高溫性能[6-8]，但目前常用的暫堵劑（蠟球、油溶性及水溶性暫堵劑）的性能均不能滿足在深層碳酸鹽巖進(jìn)行轉(zhuǎn)向壓裂的暫堵需求。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得蠟球暫堵劑在承壓力約為4.5 MPa、溫度為43 ℃下就發(fā)生明顯變形，易破碎[9]；油溶性暫堵劑承壓力可達(dá)13.8 MPa，但在65 ℃下就溶解，難以持續(xù)暫堵[10]；水溶性暫堵劑承壓力為3.2 MPa，最大耐溫為80 ℃[11-13]。同時(shí)，一些新型暫堵劑的性能也不能滿足在深層碳酸鹽巖進(jìn)行轉(zhuǎn)向壓裂的高溫高壓需求。如顆粒暫堵劑雖承壓強(qiáng)度大，但是形成的暫堵層結(jié)構(gòu)疏松，封堵效果差[14-15]；纖維暫堵劑承壓強(qiáng)度大、耐高溫，但容易在裂縫中間形成橋堵[16-17]，達(dá)不到暫堵效果；凝膠類堵劑可以實(shí)現(xiàn)均勻封堵，但施工復(fù)雜，破膠時(shí)間難以控制，耐溫耐鹽性能差[18]。為此，需要尋求一種耐高壓高溫的暫堵劑。

絨囊工作液是一種內(nèi)部有氣囊，氣囊外部包圍絨毛的氣囊狀材料，微觀結(jié)構(gòu)為“一核二層三膜”的流體[19]。該工作液作為暫堵劑進(jìn)入裂縫時(shí)，首先進(jìn)入的是氣囊，然后是液相流體, 氣囊位于液相流體的前端，由于前端壓力低，氣囊堆積，增加了液相流體通過裂縫尖端的流動(dòng)阻力。氣囊內(nèi)分子間通過極性鍵結(jié)合，作用力強(qiáng)，形成具有一定強(qiáng)度的“隔墻”，通過提高裂縫端部壓力，使縫內(nèi)凈壓力大于水平地應(yīng)力差，從而促使裂縫轉(zhuǎn)向。絨囊暫堵劑作為一種無固相暫堵劑，在煤巖和致密砂巖的轉(zhuǎn)向壓裂中證明其具有暫堵承壓能力強(qiáng)（承壓力達(dá)70 MPa）、儲(chǔ)層傷害率低的特點(diǎn)[20-24]。因此，筆者將絨囊暫堵劑引入深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層的暫堵轉(zhuǎn)向壓裂中，針對(duì)該類型儲(chǔ)層高溫高壓且裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，開展絨囊暫堵劑作用下巖石力學(xué)特征評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和高溫條件下封堵壓力實(shí)驗(yàn)；分析絨囊暫堵劑作用后巖石力學(xué)特征的變化規(guī)律及封堵壓力的變化規(guī)律，為其應(yīng)用到深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層的轉(zhuǎn)向壓裂中提供支撐。

1 絨囊暫堵劑韌性暫堵力學(xué)實(shí)驗(yàn)

裂縫轉(zhuǎn)向壓力受地應(yīng)力差、縫內(nèi)凈壓力和巖石力學(xué)性質(zhì)影響。為了了解絨囊暫堵劑作用下的裂縫轉(zhuǎn)向機(jī)理，需要開展注入絨囊暫堵劑前后的巖石力學(xué)特征評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和絨囊注入含裂縫巖心后的封堵壓力實(shí)驗(yàn)。

1.1 巖石力學(xué)特征評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

利用塔里木盆地塔河油田奧陶系碳酸鹽巖THX井巖心（直徑為25 mm、長度為50 mm）開展絨囊暫堵劑注入下的巖石力學(xué)特征評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用TAW-2000kN微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試的相關(guān)研究成果[21]，首先設(shè)定圍壓為30 MPa，然后通過孔壓系統(tǒng)注入絨囊工作液進(jìn)入巖心，通過軸壓系統(tǒng)進(jìn)行軸向的巖石力學(xué)測(cè)試，施加軸壓直至巖心破壞，測(cè)試期間記錄巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線。測(cè)試采用的絨囊暫堵劑包含囊層劑（加量為2.0%）＋絨毛劑（加量為1.5%）＋成核劑（加量為0.3%）＋成膜劑（加量為0.5%）。

采用兩塊巖心做常規(guī)巖石力學(xué)測(cè)試，另取兩塊巖心做暫堵劑注入下的巖石力學(xué)測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)絨囊暫堵劑注入后巖心的彈性模量比無絨囊注入的巖心低，而泊松比相比于無絨囊注入的巖心要高（表1）。

表1 巖心巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通常情況下，巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線以峰值應(yīng)力作為界限值，從而將應(yīng)力應(yīng)變曲線分為破壞前區(qū)和破壞后區(qū)。碳酸鹽巖破壞通常屬于脆性破壞，如圖1所示，對(duì)于無絨囊作用的巖心，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的應(yīng)力陡降突變，這是明顯的脆性破壞表現(xiàn)；而絨囊注入巖心后，應(yīng)力下降趨勢(shì)變緩，巖心破壞表現(xiàn)出明顯的塑性變化。如表1所示，絨囊注入后巖石彈性模量減小，泊松比增大，巖心彈塑性應(yīng)變?cè)龃螅瑥亩试S巖心發(fā)生更大的變形，即提高了巖心的韌性變形能力，由此看出，絨囊具有韌性暫堵的作用。韌性暫堵兼具剛性封堵材料的強(qiáng)度和柔性封堵材料的物理化學(xué)特性，從提升暫堵材料膨脹性和抗變形性兩方面來實(shí)現(xiàn)有效暫堵[25-28]。韌性暫堵使巖石在相同受力作用下變形能力更大，而沒有注入絨囊的巖石抗變形能力小，因此，在相同受力情況下，沒有注入絨囊的巖石先發(fā)生破壞，從而達(dá)到裂縫轉(zhuǎn)向的目的。

圖1 絨囊暫堵劑注入前后巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

1.2 絨囊暫堵劑封堵壓力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)巖心取自塔里木盆地塔河油田奧陶系碳酸鹽巖THX井，利用高溫高壓滲透率儀測(cè)試不同寬度的裂縫在絨囊暫堵劑注入后的封堵壓力，設(shè)定巖心圍壓為70 MPa，模擬溫度為130 ℃，回壓為2.5 MPa，泵速為0.8 mL/min。

柱塞巖心直徑為38 mm、長度為100 mm，在柱塞端面人工造貫穿縫，裂縫長度為100 mm、高度為20 mm。裂縫寬度依次為0.01 mm、0.20 mm、1.00 mm、2.00 mm、4.00 mm、6.00 mm、8.00 mm、10.00 mm，其中寬度為0.01 mm和0.20 mm的裂縫為天然裂縫，其余均為人造裂縫。

測(cè)試步驟如下：①加熱高溫高壓滲透率儀巖心筒至90 ℃，泵入氯化鉀加量為6%的標(biāo)準(zhǔn)鹽水，保證圍壓大于驅(qū)壓；②記錄巖心入口流體注入壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，當(dāng)出口端有液體穩(wěn)定流出時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)；③將暫堵流體注入高壓中間容器中，設(shè)置泵速為0.8 mL/min，并打開放空閥，待有暫堵流體從放空閥流出，關(guān)閉放空閥，打開注入閥，同時(shí)關(guān)閉流量泵；④將溫度升至130 ℃，以0.8 mL/min的泵速將暫堵流體持續(xù)注入柱塞巖心，并連續(xù)記錄入口壓力，若注入壓力穩(wěn)定且夾持器出口端無暫堵流體流出，則表示形成封堵；⑤封堵完畢，采用氯化鉀加量為6%的標(biāo)準(zhǔn)鹽水進(jìn)行承壓能力測(cè)試，記錄注入壓力隨時(shí)間的變化曲線。

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)注入氯化鉀含量為6%的標(biāo)準(zhǔn)鹽水，出口端有單位質(zhì)量氯化鉀含量為6%的標(biāo)準(zhǔn)鹽水流出，該階段的注入壓力小，且變化平緩，這是由于有裂縫存在，清水很快便從端口流出；絨囊暫堵劑注入裂縫并將裂縫充滿，對(duì)于裂縫寬度為0.01 mm、0.20 mm、1.00 mm的柱塞巖心，隨著絨囊暫堵劑暫堵逐漸形成，在20 min后注入壓力明顯上升；在注入標(biāo)準(zhǔn)鹽水70 min后注入壓力保持穩(wěn)定且夾持器出口端無暫堵流體流出，此時(shí)的注入壓力即為暫堵壓力。隨著裂縫寬度增大，暫堵劑封堵壓力減小，暫堵劑承壓力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短。采用標(biāo)準(zhǔn)鹽水（氯化鉀加量為6%）進(jìn)行的承壓能力測(cè)試結(jié)果顯示，一旦絨囊暫堵劑形成封堵，標(biāo)準(zhǔn)鹽水也難以通過封堵后的裂縫。

圖2 不同裂縫寬度下注入壓力變化曲線圖

隨著裂縫寬度增加，暫堵劑封堵壓力逐漸減小，且裂縫寬度與暫堵劑封堵壓力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系（圖3）；裂縫寬度為0.01 mm時(shí)，封堵壓力為60.51 MPa，而裂縫寬度為10.00 mm時(shí)，封堵壓力為7.92 MPa（表2）；隨著裂縫寬度增加，封堵壓力也逐漸減小。

圖3 裂縫寬度（wf）與暫堵劑封堵壓力（pfd）擬合曲線圖

表2 不同裂縫寬度下暫堵劑封堵壓力統(tǒng)計(jì)表

從絨囊封堵壓力線可以看出，隨著絨囊逐漸進(jìn)入裂縫，在裂縫端部形成橋堵，此時(shí)注入壓力曲線呈快速上升的趨勢(shì)；隨著絨囊的韌性封堵作用逐步形成，注入壓力曲線逐漸上升，并且在壓力峰值出現(xiàn)后沒有發(fā)生“懸崖式”陡降，說明絨囊韌性封堵帶已形成且具有明顯的封堵作用。

2 實(shí)例分析

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層THX井中部深度為6 330 m，厚度約70 m，地層溫度超過130 ℃，為了實(shí)現(xiàn)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，需要暫堵劑具備承壓能力大、耐強(qiáng)酸，并且能夠有效封堵天然裂縫或酸化裂縫的特性。通過在該井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，首次評(píng)估了絨囊暫堵劑用于碳酸鹽巖深井暫堵酸化的效果以指導(dǎo)后續(xù)的技術(shù)優(yōu)化。

2.1 儲(chǔ)層特征

THX井碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)致密，通常發(fā)育蚯蚓狀裂縫，且部分裂縫之間并沒有溝通。通過掃描電鏡觀察到巖石石英含量多，夾雜有有機(jī)質(zhì)，整體較平緩、無破碎顆粒。由鑄體薄片觀察到碳酸鹽巖中存在縫寬較大的天然裂縫（圖4-a）、微裂縫（圖4-b）及零星孔洞（圖4-c），需要通過酸化壓裂形成具備高導(dǎo)流能力的人工裂縫來溝通上述油氣儲(chǔ)集空間，從而提高地下油氣的采收率。

2.2 絨囊暫堵酸壓工藝效果評(píng)價(jià)

圖4 鑄體薄片照片

現(xiàn)場(chǎng)配置的絨囊暫堵劑性能如下：表觀黏度介于48.5～73 mPa·s，塑性黏度介于22～35 mPa·s，動(dòng)切力介于26.5～38.5 Pa，動(dòng)塑比介于1.09～1.31 Pa/（mPa·s），密度介于0.86～0.90 g/cm3，pH值均為11。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂施工程序的的步驟為：①以0.50～1.85 m3/min的排量泵注滑溜水20 m3，將井筒內(nèi)壓井液擠入地層；②以3.00～5.10 m3/min的排量泵注滑溜水180 m3，利用滑溜水進(jìn)行初次壓裂；③以3.00 m3/min的排量注入暫堵劑70 m3，將老縫完全填充，完成老縫的暫堵；④以3.00 m3/min的排量泵注滑溜水45 m3，將井筒內(nèi)暫堵劑擠入地層；⑤以7.00～7.49 m3/min的排量注入壓裂液250 m3來造新縫；⑥以2.37～3.00 m3/min的排量注入暫堵劑170 m3來填充新縫，完成新縫的暫堵；⑦以3.00 m3/min的排量注入滑溜水45 m3，將井筒內(nèi)暫堵劑擠入地層；⑧停泵測(cè)壓降；⑨以6.80～8.47 m3/min的排量注入壓裂液300 m3，再造新縫；⑩以6.80～8.00 m3/min的排量注入交聯(lián)酸300 m3，對(duì)裂縫進(jìn)行酸蝕；[11]以6.00 m3/min的排量注入滑溜水107 m3，頂替井筒中酸液，讓裂縫進(jìn)一步延伸；[12]停泵測(cè)壓降。暫堵共實(shí)施了兩次，分別對(duì)應(yīng)前述步驟③、⑥。

如圖5所示，對(duì)應(yīng)步驟⑥（注入暫堵劑170 m3），油壓由30.00 MPa逐漸上升到42.17 MPa，而后油壓穩(wěn)定在40.00 MPa左右，說明暫堵劑封堵成功；對(duì)應(yīng)步驟⑦（注入滑溜水45 m3），油壓明顯下降，說明新裂縫開啟，轉(zhuǎn)向壓裂成功。

對(duì)比注入排量相同的A、D點(diǎn)，壓力從30.00 MPa升高到35.34 MPa，證明絨囊進(jìn)入地層后，提高了新縫的承壓能力。油壓曲線CD段緩慢下降，說明絨囊注入地層后，巖石力學(xué)特征發(fā)生了塑性變化，絨囊的韌性暫堵起到了作用。

前期壓裂實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到巖石破裂壓力為51.0 MPa，而在絨囊封堵新縫并使新縫轉(zhuǎn)向的壓裂階段（對(duì)應(yīng)圖5中油壓曲線BC段），只需要44.5 MPa就能使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向，可見在實(shí)施絨囊韌性暫堵以后，提升了巖石的抗變形能力，增加了裂縫的橋堵承壓力，使裂縫更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向進(jìn)而形成新縫，該暫堵劑適用于深層碳酸鹽巖油氣井的轉(zhuǎn)向壓裂施工。THX井在實(shí)施絨囊暫堵轉(zhuǎn)向壓裂前，日平均產(chǎn)油量為3.13 t，日平均產(chǎn)氣量為8.3 m3，自2017年實(shí)施絨囊暫堵轉(zhuǎn)向壓裂后，日平均產(chǎn)油量增至14.10 t，日平均產(chǎn)氣量增至63.1 m3，日產(chǎn)油量增加了3.5倍，日產(chǎn)氣量增加了6.6倍，增產(chǎn)效果顯著。

圖5 THX井暫堵酸壓施工曲線圖

3 結(jié)論

1）絨囊注入后巖石彈性模量減小，泊松比增大，巖心彈塑性應(yīng)變?cè)龃?，從而提高了巖心的韌性變形能力。

2）封堵壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示絨囊暫堵后裂縫承壓能力逐漸提升，在注入壓力峰值后未出現(xiàn)“懸崖式”陡降，說明絨囊韌性封堵帶已形成且具有明顯的封堵作用。

3）絨囊暫堵后裂縫封堵壓力與裂縫寬度成負(fù)指數(shù)關(guān)系，且隨著裂縫寬度增加，暫堵劑承壓力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短。

4）絨囊暫堵劑注入巖石后提升了巖石的抗變形能力，增加了裂縫的橋堵承壓力，通過增大縫內(nèi)凈壓力可以使裂縫更容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，且絨囊暫堵劑耐130 ℃高溫，從而使其能夠滿足深層碳酸鹽巖暫堵轉(zhuǎn)向壓裂的需求。